数字孪生周公宅-皎口梯级水库防洪“四预”应用

顾巍巍，蔡天德，谢东辉，江雨田，陈天麟

（1.浙江省宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，315192，宁波；2.浙江省宁波市水库管理中心，315020，宁波；3.宁波原水有限公司皎口水库分公司，315012，宁波）

2020年，浙江省宁波市入选水利部智慧水利先行先试城市。2021年，《宁波市水安全保障“十四五”规划》提出，要按照“走全国前列、树全省标杆”总体要求，增强水务一体化管理能力，实施水安全保障、水资源利用、水生态修复、水文化传承和水智慧管理五大工程。在水智慧管理方面，要求以智慧水利先行先试城市建设为抓手，完善水利信息化体系建设。周公宅-皎口梯级水库在宁波市防洪格局中地位突出，其调度方案合理与否将直接对地区防洪排涝形势产生影响。2022 年4 月，宁波市水利局数字孪生周公宅-皎口梯级水库项目列入水利部数字孪生建设试点。

一、周公宅-皎口梯级水库概况

周公宅-皎口梯级水库位于甬江流域鄞江上游，为东南沿海诸河流域少有的梯级串联大型水库，其作为数字孪生水利工程先行先试试点，具有一定典型性。周公宅-皎口梯级水库集雨面积为259 km2，在流域防洪减灾中发挥着至关重要的作用，同时还承担着宁波城市供水区优质水供给及下游农业、生态环境用水双重水资源供给保障任务。

周公宅-皎口梯级水库水利信息化建设起步较早，有一定基础，但目前其信息化建设水平与水利部打造数字孪生工程要求相比，仍然存在短板和薄弱环节：①信息基础设施有待完善，全要素感知、手段与安全保障能力有待提升；②数据底板不全，孪生场景数据驱动能力有待提高；③模型不足、知识分散，业务支撑能力有待加强；④“四预”业务流程数字化水平有待提高，应用功能有待扩充。

二、数字孪生平台建设

根据《数字孪生水利工程建设技术导则》要求，结合周公宅-皎口梯级水库具体情况，数字孪生周公宅-皎口梯级水库平台由数据底板、模型平台、知识平台和孪生引擎四部分构成，其总体框架如图1所示。

图1 数字孪生周公宅-皎口梯级水库总体框架

1.数据底板

在共享水利部（流域管理机构除外）L1 级、流域管理机构及省级水行政主管部门L2 级数据底板基础上，充分利用工程设计施工图纸、建筑信息模型（BIM）等资料，建设工程L2 级和L3 级数据底板，采用卫星遥感、无人机倾斜摄影、激光雷达扫描建模、BIM、多波束测量等技术，汇聚工程全要素、全过程地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据以及外部共享数据。

2.模型平台

（1）水利专业模型

为实现“预报、预警、预演、预案”目标，根据周公宅-皎口梯级水库及下游流域特点，在整合水库已有单库洪水预报模型基础上，按照数字孪生平台“模型库”建设要求，建立防洪预报调度及洪水演进一体化模型及水库工程安全监测分析模型，包括区域精细化降雨解译模型、梯级水库产汇流模型、梯级水库洪水联合调度模型、水库下游一维洪水演进模型、水库下游二维洪水演进模型、溃坝泄流分析模型、水库工程安全监测分析模型，辅助防洪决策与水库工程安全决策。

（2）智能模型

通过智能识别算法服务建设、智慧巡查视频分析服务平台建设和视频监控集成接入与开发，充分发挥水库视频资源的作用和效能，通过前端摄像提供的视频图像，自动处理分析给定图像，实现涉水活动识别和水库放水预警识别等智能算法服务；对集成的视频数据资源进行充分融合开发，使其能够无缝集成接入市级水利网络视频监控系统以及宁波市智慧水利业务系统，实现数据统一集成、资源互联共享。

3.知识平台

长期以来，为满足规划设计、防汛防台需求，宁波市持续积累了较好的数据底板模型库基础，尤其是宁波市智慧水利建设项目进一步为周公宅-皎口梯级水库区域数据底板、模型库奠定了基础，但当前已建水利信息化系统存在非结构化信息多、知识分散、信息获取困难等问题。通过大数据分析和信息共享等技术手段集成处理相关知识信息后，建立水利知识数据库，以知识图谱为技术框架，建设预报调度方案库、业务规则库、历史场景库、专家经验库、水利工程安全知识库和共享知识库，为水利知识引擎提供数据内核，提高知识检索精准化与智能化水平。

4.孪生引擎

根据《数据孪生流域共建共享管理办法（试行）》要求，结合数字孪生周公宅-皎口梯级水库建设实际需要，打造包含数据汇聚、数据治理、数据挖掘、数据服务的数据引擎，同时在浙江省提供的知识引擎或知识引擎组件基础上，建设基于周公宅-皎口梯级水库的知识引擎。此外，为提高数据底板的数据加载、场景管理、空间分析、特效处理等服务能力，建设模拟仿真引擎，以实现水库工程和周围环境同步直观表达、工程建设运行全过程高保真模拟。

三、防洪“四预”业务应用系统建设

1.功能概述

周公宅-皎口梯级水库防洪业务以洪水风险管理为核心，应对不同等级风险场景，按照预报、预警、预演、预案“四预”基本要求，以及“预报是基础、预警是前哨、预演是关键、预案是目的”的思路梳理业务流程（见图2），构建形势分析、洪水预报、风险预警、仿真预演、应急预案、复盘评估全过程一体化应用系统，为水库防洪形势分析、调度方案制定、人员避险转移提供技术支撑。防洪“四预”业务应用界面如图3所示。

图2 周公宅-皎口梯级水库防洪“四预”业务流程框架

图3 周公宅-皎口梯级水库防洪“四预”业务应用界面示意

2.功能模块

（1）形势分析

基于相关数据接口展示周公宅-皎口梯级水库所处流域4 个分区的实测降雨及预报降雨，并统计特征值，在此基础上通过底层逻辑计算对水库特定水位，如汛限水位、正常水位、防洪高水位、设计水位、校核水位等，进行相应水位下的可承雨量分析，结合两水库当前水位、未来预测降雨数据、两水库出入库流量相关性等信息，进行预泄分析和预警水位研判，为技术人员提供数据依据，及时有效开展预排预泄工作。

（2）洪水预报

运用水文、地信、计算机、数据库、网络等多专业技术，采集接入的水雨工情监测数据和气象降雨预报数据，充分利用云计算、数学模型等技术手段，提供不同降雨等级下水库、河道、乡镇洪水的预报成果。

（3）风险预警

明确预警任务，面向水利行业，按照规定的权限和程序及时将预警信息直达防御工作一线，确保行业预警权威性、时效性、安全性。确定预警要素，建立科学合理的预警机制，以水库洪水预报为基础，展示水库、漫堤等不同风险级别，根据不同级别对相应风险进行预警，并做统计分析。

（4）仿真预演

设定全面的防洪情景目标，运用数字化、网格化、智能化手段，实现水工程预报信息与调度运行信息及边界条件的集成耦合，调用模拟仿真引擎，进行可视化模拟，实现水安全要素的实时、动态展示。在模拟计算成果基础上，结合水利工程运行状况、经济社会发展现状等，参考水利调度规则、典型历史案例，利用专家经验和智能分析等，对水库、河道洪水演进情况进行模拟预演，根据设定的防洪情景目标及时滚动更新预演方案，快速分析展示风险形势，为洪水防御提供决策支持。

（5）应急预案

结合水工程运行状况、经济社会发展现状，对防洪预演结果进行评估，分析预案影响，滚动优化水工程运行、应急调度、人员防灾避险等应对措施，统筹考虑流域规划、区域规划、重要水工程调度运行计划等，形成流域、区域水工程联合调度方案。优化完善水工程运行调度方案、工程巡查防守、人员转移避险等应对措施，有效提高预案的科学性和可操作性。

（6）复盘评估

在每一场次台风或暴雨引发的洪水结束后，对相关台风及雨水情分析、洪水预报调度过程分析、受灾情况等进行整合生成，形成洪水后复盘评估报告，存入档案库，便于积累经验与经验复用。该部分主要包括台风雨水情、洪水调度、受灾情况统计和复盘评估分析报告。

四、系统应用成效

数字孪生系统的实际应用为周公宅、皎口水库防御2022年台风“轩岚诺”和“梅花”提供了有力支撑。其中，在防御台风“轩岚诺”期间，系统分别为周公宅水库、皎口水库编制了20 个、24 个预报方案，在防御台风“梅花”期间分别为两水库编制了35 个、78个预报方案。系统在台灾防御工作中主要作出了如下贡献：

①提前准备，基于多种方案制定相应对策。在防御台风“轩岚诺”和“梅花”前，通过数字孪生系统应用，根据气象预报中水库流域等值雨量线，分别编制不同量级降雨情况下两水库的联合调度方案，并在不断优化方案后形成以水位为依据的调度对策。

②提前介入，根据实际过程作出及时反应。在洪水发生过程中，应用数字孪生系统实时跟踪水库降水、水位、出入库和上下游河道情况，精细化实时微调水库调度方案，为水库放水决策等工作提供了提前反应时间。

③提前决策，通过调整策略提升水库效益。在降雨后期，通过数字孪生系统中的降雨预报及水库预报，果断关闭闸门，减小下游防汛压力，拦蓄尾水，最大限度提升水库效益。

五、结 语